张伟明, 管学超, 黄玉威, 孙大荃, 孟军, 陈温福^*
沈阳农业大学农学院/辽宁省生物炭工程技术研究中心, 辽宁沈阳110866
^* 通讯作者(Corresponding author): 陈温福, E-mail:wfchen5512@126.com 第一作者联系方式: E-mail:biochar_zwm@126.com
收稿日期:2014-09-30 基金:本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(201303095), 辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2014267)和辽宁省高校重大科技平台建设项目(生物炭工程技术研究中心)资助

摘要以大豆品种铁丰40为试材, 在2010—2011年的大田试验中调查生物炭与不同用量化肥配施对大豆生长发育、光合作用、产量与品质及肥料表观利用率的影响。结果表明, 炭/肥互作在不同程度上提高了大豆株高、叶片净光合速率与蒸腾速率, 增加了叶、茎干物重。炭/肥互作对大豆生长前期的氮、磷吸收影响不明显, 但随着生育期的推进, 叶、茎对氮、磷吸收逐步增加, 单株氮、磷积累量明显提高。炭/肥互作提高了单株荚数、单株粒数、单株粒重和产量, 平均比单施化肥增产13.2%。其中, 在常规施肥量减少15%、30%和60%基础上增施生物炭, 2年平均产量分别比常规施肥提高11.20%、11.00%和8.17%, 平均增产10.1%。并且炭/肥配施处理的蛋白质与脂肪总量明显优于单施化肥处理, 表现为配施化肥量越少效应越明显。生物炭与化肥配施“减量增效”作用明显, 可应用于大豆生产。

关键词:生物炭; 大豆; 产量; 生物学效应
Biological Effects of Biochar and Fertilizer Interaction in Soybean Plant
ZHANG Wei-Ming, GUAN Xue-Chao, HUANG Yu-Wei, SUN Da-Quan, MENG Jun, CHEN Wen-Fu^*
College of Agronomy, Shenyang Agricultural University / Biochar Engineering Technology Research Center of Liaoning Province, Shenyang 110866, China

AbstractThe effect of biochar, as a soil amendment, in combination with different concentrations of a chemical fertilizer on the agronomic traits and physiological characteristics was investigated using the soybean cultivar Tiefeng 40 during 2010 and 2011. The results revealed that the application of biochar mixed with fertilizer increased the plant height, net photosynthetic rate, and leaf transpiration rate, and also improved the leaf and stem dry matter accumulation. Although the effect of biochar mixed with fertilizer on N (nitrogen) and P (phosphorus) uptake in soybean was not obvious during the early growth stage, both leaf and stem N and P uptake gradually increased in the late stage, and the accumulation per plant for both N and P was also significantly improved. Moreover, biochar mixed with fertilizer increased the pod number, seed number, and seed size per plant, resulting in an average yield increase of 13.2%, compared with the treatment of applying chemical fertilize alone. As the fertilizer application was reduced by 15%, 30%, and 60%, the yield increased by 11.20%, 11.00%, and 8.17% respectively, with a yield increase of 10.6% on an average of two years. Meanwhile, the increase in total protein and fat contents was also dependent on the concentration of biochar mixed with fertilizer, the greater the biochar concentration, the greater the increase. Taken together, our results support the theory of “less fertilizer, but positive effects” for both yield and quality in Tiefeng 40. This approach can be applied in soybean production.

Keyword:Biochar; Soybean; Yield; Biological effects
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粮食安全与环境安全, 是影响经济与社会可持续发展的重要问题, 事关“ 口粮安危” , 也引起了全社会的极大关注。近半个世纪来, 与日俱增的全球人口数量, 使地球资源与环境日益不堪重负, 对粮食的需求总量大幅攀升。为满足这一巨大需求, 农业化肥施用量也在持续、大幅增加。据粗略统计, 我国化学肥料的使用总量接近世界的1/3^[1], 而利用率却处于较低水平。大量养分流失, 使土壤越来越“ 薄” , 酸化、板结等现象严重, 特别是一些化学养分如氮、磷等流失到江河、湖泊中, 造成了水体富营养化等严重面源污染^[2]。因此, 如何减少化肥投入, 提高作物对肥料养分的利用效率, 同时减轻对土壤资源与环境的破坏, 促进耕地质量和粮食生产的“ 双赢” 可持续发展, 成为迫切需要解决的重要课题。
生物炭是近年兴起的热点研究领域之一, 得到了广泛关注和认可。生物炭(Biochar)是农林废弃物等生物质在缺氧条件下热裂解而形成的稳定的富碳产物^[3], 具有原材料来源广、孔隙结构好、吸附能力强等显著特点, 是理想的农用基质材料。国内外研究表明, 生物炭对氮、磷等作物所需养分有较好的持留作用^{[4, 5]}, 可有效改善土壤理化性质, 提高土壤保水、保肥能力, 增加作物产量^{[6, 7, 8, 9, 10, 11]}。
生物炭的应用, 一方面可有效破解“ 秸秆焚烧” 难题, 减轻环境污染, 另一方面通过炭化还田, 可实现农林废弃物的高效、循环利用和耕地质量、作物生产可持续发展。因此, 充分发挥生物炭来源、结构及其特性优势, 特别是生物炭对土壤性状、养分离子、作物生长等的良好作用, 与化肥配施后可望产生良好的“ 减量增效” 作用, 对提高作物的肥料利用效率, 提升土壤质量和肥力水平, 建立“ 低碳、环保、可持续” 现代农业发展模式, 促进农业生产可持续发展具有重要意义。
本研究针对农业生产中存在的现实问题, 以生物炭与不同用量化学肥料配施, 研究其互作对大豆生长发育、养分吸收、产量及品质等的影响, 明确炭/肥配施的大豆生物学效应及其“ 量– 效” 关系, 并探讨其在作物生产上的可行性, 旨在为生物炭在农业生产上的应用提供参考和依据。
1 材料与方法1.1 试验材料在沈阳农业大学后山试验田种植大豆品种铁丰40 (由辽宁省铁岭市农业科学院提供)。土壤为东北地区典型棕壤土, pH 5.46, 含有机质17.8 g kg^-1、全氮1.36 g kg^-1、碱解氮52.9 mg kg^-1、速效磷22.7 mg kg^-1、速效钾83.5 mg kg^-1。生物炭材料为花生壳炭, 粒径0.30~0.35 cm, pH 7.94, 含碳60.60%、氮1.38%、磷0.36%、钾1.58%, 由辽宁金和福农业技术开发有限公司生产提供(炭化温度为400~450℃)。
1.2 试验方法随机区组设计10个处理(表1)。小区行长5 m, 宽3.6 m, 每小区18 m²。每小区6行, 行距0.6 m, 株距0.11 m, 每穴1株。播种密度为1.5× 10⁵株hm^-2, 每个处理3次重复, 总计30个小区。分别于2010年和2011年的5月18日播种, 播种前按表1用量, 称取相应肥料和生物炭, 混合后以“ 基肥” 形式一次性施入, 其后在大豆生长期间不再追肥, 大豆栽培管理方式与当地常规管理方式相同。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 试验设计 Table 1 Experiment design 处理 Treatment 小区施肥量(磷酸二铵) Diammonium phosphate amount (kg) 肥料递减百分比 Fertilizer decline rate (%) 与肥料配施的小区施炭量 Biochar amount (kg) CK — — — RF 0.27 — — 15%RF 0.23 15 — 15%RF+C 0.23 15 2.70 30%RF 0.19 30 — 30%RF+C 0.19 30 2.70 45%RF 0.15 45 — 45%RF+C 0.15 45 2.70 60%RF 0.11 60 — 60%RF+C 0.11 60 2.70 CK: no routine fertilizer and biochar; RF: routine fertilizer; C: biochar amount is 150 kg hm-2. CK: 不加肥料和生物炭; RF: 当地常规施肥处理; C: 生物炭施用量为150 kg hm-2。

表1 试验设计 Table 1 Experiment design

1.3 测定项目于2011年大豆苗期(6月25日)、开花期(7月30日)、结荚期(8月15日)、鼓粒期(9月15日), 从每小区选取10株代表性植株, 调查株高; 于苗期、开花期、鼓粒期, 从每小区取样3株, 将植株地上部叶、茎秆(包括叶柄)等各器官分离, 在烘箱于105℃杀青30 min, 80℃烘至恒重, 用电子天平测定干物重; 在苗期、开花期、结荚期的晴天上午9:00至11:00时, 从每小区选择5株大豆主茎功能叶片(倒四叶), 采用光合仪(LI-6400型, 美国)测定光合生理指标。于成熟期(10月5日)收获后1个月内, 采用近红外谷物品质分析仪(Foss241, 丹麦)测定大豆脂肪和蛋白质含量; 于苗期、开花期、结荚期、成熟期, 从每小区取3株代表性植株, 分离各器官杀青、烘干后用小型植物粉碎机粉碎过筛, 采用元素分析仪(vario MACRO cube, 德国)测定氮含量, 采用钒钼黄比色法^[12]测定磷含量。成熟期将植株地上部各器官的氮、磷含量与其相对应器官干物重的乘积相加算得单株养分积累量。
分别于2010年和2011年的成熟期(10月5日), 选择每小区中间行(去除边行)其中一行的中间部位, 随机选取具有代表性的大豆10株, 风干后室内考种, 调查株高、茎粗、主茎节数、单株荚数、单株粒数、单株荚重、百粒重等农艺性状及产量构成因素指标^[13]。从每小区取中间3行(每行取中间3 m), 收获并实测大豆小区产量。
两年试验结果趋势基本一致, 采用2010年与2011年试验数据统计分析产量相关指标, 采用2011年数据统计分析土壤、作物等相关测定指标。利用Microsoft Excel和SPSS17.0软件处理与分析数据, 采用Duncan’ s差异显著分析方法多重比较各处理, 并采用SigmaPlot 12.5软件作图。

2 结果与分析2.1 生物炭与化肥互作对大豆株高的影响图1所示, 在苗期, 炭/肥配施处理的株高均高于单施化肥、常规施肥及对照。其中, 15%RF+C处理比RF、CK处理分别提高了5.85%和22.9%, 且与其他处理差异显著。在开花期, 炭/肥配施各处理亦均高于单施化肥和CK处理。其中, 30%RF+C、45%RF+C与其对应的30%RF、45%RF处理差异显著。在结荚期, 炭/肥配施处理的株高与开花期表现趋势相同。而至鼓粒期, 除60%RF+C处理仍高于60%RF处理外, 其他炭/肥配施处理均低于单施化肥处理, 但无显著差异。
图1
Fig. 1

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	图1 炭/肥互作对不同生育期大豆株高的影响缩写同表1。图中不同字母表示不同处理之间在0.05水平上差异显著。Fig. 1 Interaction effect of biochar and fertilizer on soybean plant height at different growth stagesAbbreviations are the same as given in Table 1. Bars subscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level between different treatments.

总体上看, 与单施化肥相比, 生物炭与化肥互作有助于促进大豆生长前期的作物生长, 但对生长后期无明显影响。生物炭与化肥互作处理间, 较高施肥量与生物炭配施(15%RF+C、30%RF+C、45%RF+C)对株高的促进效应相对明显, 而在后期较低施肥量与生物炭配施(60%RF+C)的作用更明显。
2.2 生物炭与化肥互作对大豆地上部植株干物质积累的影响2.2.1 对大豆叶干重的影响 在苗期, 各炭/肥配施处理均高于单施化肥和对照(图2)。其中, 30%RF+C处理最高, 对叶片干物质积累的促进作用明显。在开花期, 各炭/肥配施处理均高于单施化肥和对照, 其中30%RF+C、45%RF+C、60%RF+C与30%RF、45%RF、60%RF+C处理差异显著, 15%RF+ C、45%RF+C处理则高于RF处理, 作用相对明显。在鼓粒期, 叶干重表现为RF> 15%RF+C> 30%RF+ C> 60%RF+C> 45%RF+C> 15%RF> 60%RF> 30%RF> 45%RF> CK, 炭/肥配施处理整体上高于单施化肥处理。其中, 15%RF+C、30%RF+C、45%RF+C、60%RF+ C处理分别比其对应的单施化肥15%RF、30%RF、45%RF、60%RF处理提高31.0%、31.1%、27.7%、14.5%, 平均提高26.1%。可见, 与单施化肥相比, 炭/肥配施可在一定程度上延缓大豆生殖生长期叶片衰老, 增加叶片“ 源” 物质积累, 促进作用明显, 其效应与配施肥量正相关。
图2
Fig. 2

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	图2 炭/肥互作对主要生育期大豆叶干物质积累的影响图柱上标不同的字母表示在0.05的水平上差异显著。Fig. 2 Interaction effects of biochar and fertilizer on dry matter accumulation of soybean leaf at main growth stagesBars subscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among treatments.

总体上看, 与单施化肥相比, 生物炭与化肥互作对大豆关键生育期的叶片干物质积累有较为明显的促进效应, 但与常规施肥相比, 作用不明显。
2.2.2 对大豆茎干重的影响 在苗期, 炭/肥配施处理的茎干重整体上高于单施化肥和对照, 其中15%RF+C与15%RF处理差异显著, 且高于常规施肥处理。在开花期, 各炭/肥配施处理均高于单施化肥和对照。其中, 45%RF+C与45%RF处理差异显著, 且高于其他处理, 促进作用明显。在鼓粒期, 炭/肥配施处理的茎干重亦均高于单施化肥和对照, 其中15%RF+C表现最高, 比常规施肥提高26.6%, 作用明显。
总体来看, 与单施化肥相比, 生物炭与化肥互作对大豆茎秆干物质积累具有较为明显的促进效应, 利于提高作物抗倒伏能力。其中, 在苗期与鼓粒期, 15%RF+C处理的促进作用相对明显, 而在开花期, 45%RF+C处理的效应更明显(图3)。
图3
Fig. 3

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	图3 炭/肥互作对主要生育期大豆茎干物质积累的影响图柱上标不同的字母表示在0.05的水平上差异显著。Fig. 3 Interaction effects of biochar and fertilizer on dry matter accumulation of soybean stem at main growth stagesBars subscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among treatments.

2.3 生物炭与化肥互作对大豆光合生理特性的影响叶片净光合速率, 在苗期表现为炭/肥配施处理均高于单施化肥和对照(表2)。其中, 30%RF+C、60% RF+C与30%RF、60%RF处理差异显著, 15%RF+C、30%RF+C和45%RF+C处理的净光合速率则高于常规施肥处理。在开花期, 各炭/肥配施处理均高于其他处理, 其中45%RF+C与45%RF差异显著。而至结荚期, 各炭/肥配施处理亦保持了相同趋势, 均高于单施化肥和对照。其中, 15%RF+C、30%RF+C、45%RF+C和60%RF+C处理分别比15%RF、30%RF、45%RF、60%RF处理提高32.6%、41.6%、14.7%和42.8%, 平均提高32.9%, 作用明显。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 炭/肥互作对大豆主要生育期净光合速率与蒸腾速率的影响 Table 2 Interactions effects of biochar and fertilizer on soybean net photosynthetic and transpiration rates at main growth stages 处理 Treatment 净光合速率 Net photosynthetic rate (μ mol CO2m-2s-1) 蒸腾速率 Transpiration rate (mmol H2O m-2s-1) 苗期 Seedling stage 开花期 Flowering stage 结荚期 Pod-setting stage 苗期 Seedling stage 开花期 Flowering stage 结荚期 Pod-setting stage CK 19.1 c 17.6 b 15.7 c 5.56 d 5.17 c 2.81 c RF 22.8 ab 19.3 ab 22.9 a 8.30 a 8.15 a 3.72 ab 15%RF 21.3 b 18.9 ab 17.1 c 7.08 bc 5.32 c 3.16 bc 15%RF+C 23.0 ab 20.6 a 22.6 a 8.27 a 7.68 a 3.71 ab 30%RF 21.3 b 18.7 ab 16.0 c 6.77 c 6.52 b 3.12 bc 30%RF+C 23.2 a 19.4 ab 22.7 a 8.10 ab 7.75 a 3.66 ab 45%RF 22.7 ab 18.0 b 19.2 b 7.67 abc 6.49 b 3.47 ab 45%RF+C 23.1 ab 20.7 a 22.0 a 8.28 a 8.05 a 3.80 a 60%RF 19.3 c 18.8 ab 15.8 c 5.63 d 6.41 b 2.76 c 60%RF+C 22.8 ab 20.8 a 22.6 a 8.38 a 8.20 a 3.81 a Abbreviations are the same as given in Table 1. Means within a column followed by different small letters are significantly different at the 0.05 probability level. 缩写同表1。同一列中标以不同小写字母的值在0.05水平上差异显著。

表2 炭/肥互作对大豆主要生育期净光合速率与蒸腾速率的影响 Table 2 Interactions effects of biochar and fertilizer on soybean net photosynthetic and transpiration rates at main growth stages

叶片蒸腾速率, 在苗期表现为各炭/肥配施处理均高于单施化肥和对照。其中, 15%RF+C、30%RF+ C、60%RF+C与15%RF、30%RF、60%RF处理差异显著。在开花期, 各炭/肥配施处理均显著高于单施化肥处理, 表现为随配施肥量减少而提高。而在结荚期, 与开花期表现趋势相同, 其中60%RF+C与60%RF处理差异显著, 且高于常规施肥处理。
可见, 生物炭与化肥互作在作物生长关键生育期, 同步保持了较高的净光合速率和蒸腾速率, 提高了光合作用强度, 利于增加光合产物积累, 促进作物生长和最终产量形成。
2.4 生物炭与化肥互作对大豆产量及其构成因素的影响表3表明, 大豆单株荚数在2年的表现趋势基本相同。在2010年, 炭/肥配施各处理比单施化肥处理平均提高17.3%, 且15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C处理比常规施肥平均提高6.83%。在2011年, 炭/肥配施各处理比单施化肥处理平均提高20.4%, 且15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C处理比常规施肥平均提高6.8%。可见, 与单施化肥相比, 年际间炭/肥配施处理的单株荚数逐年提高, 与常规施肥相比, 则基本持平。2年累计平均值的统计分析表明, 所有炭/肥配施处理均显著高于单施化肥处理, 平均提高18.9%。炭/肥配施处理15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C高于常规施肥, 其中15%RF+ C处理比常规施肥提高14.6%, 差异显著。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 炭/肥互作对大豆产量及其构成因素的影响 Table 3 Interaction effects of biochar and fertilizer on soybean yield and its components 年份 Year 处理 Treatment 单株荚数 Pod number per plant 单株粒数 Seed number per plant 单株粒重 Grain weight per plant (g) 百粒重 100-grain weight (g) 小区产量 Plot yield (g) 2010 CK 63.6 e 89 d 21.9 c 23.8 ab 1623 c RF 76.6 bc 125 ab 31.8 ab 23.1 b 1728 abc 15%RF 74.2 bc 112 bc 25.9 c 24.2 ab 1676 c 15%RF+C 87.4 a 135 a 35.6 a 23.8 ab 1904 a 30%RF 70.5 cd 109 c 25.1 c 24.8 a 1635 c 30%RF+C 80.1 b 129 a 33.2 ab 23.6 ab 1904 a 45%RF 66.8 de 105 c 24.5 c 24.0 ab 1612 c 45%RF+C 75.3 bc 104 c 26.3 c 23.6 ab 1701 c 60%RF 62.7 e 104 c 22.3 c 23.2 ab 1623 c 60%RF+C 78.3 b 124 ab 30.4 b 23.7 ab 1878 ab 2011 CK 56.6 d 87 d 19.5 c 24.3 a 1491 c RF 75.8 abc 120 bc 28.7 ab 21.8 bc 1660 abc 15%RF 69.2 bcd 106 bcd 24.1 bc 23.2 abc 1627 abc 15%RF+C 87.3 a 148 a 34.2 a 22.7 abc 1861 a 30%RF 67.3 bcd 100 cd 24.0 bc 23.3 ab 1563 bc 30%RF+C 78.1 ab 128 ab 32.8 a 21.4 c 1856 a 45%RF 62.4 bcd 95 cd 23.0 bc 23.6 ab 1538 bc 45%RF+C 69.9 bcd 105 bcd 24.1 bc 23.4 ab 1636 abc 60%RF 60.7 cd 95 cd 20.5 c 24.2 a 1556 bc 60%RF+C 77.4 ab 122 abc 29.9 ab 23.5 ab 1787 ab 两年 平均 Mean CK 60.1 f 88 e 20.7 d 24.1 a 1572 c RF 76.2 bc 123 bc 30.2 b 22.4 c 1711 bc 15%RF 71.7 bcd 109 cd 25.0 c 23.7 abc 1668 c 15%RF+C 87.3 a 141 a 34.9 a 23.2 abc 1902 a 30%RF 68.9 cde 104 d 24.5 c 24.0 a 1615 c 30%RF+C 79.1 b 129 ab 33.0 ab 22.5 bc 1899 a 45%RF 64.6 def 100 de 23.7 cd 23.8 ab 1591 c 45%RF+C 72.6 bc 110 cd 25.2 c 23.5 abc 1685 c 60%RF 61.7 ef 100 de 21.4 cd 23.7 abc 1606 c 60%RF+C 77.8 b 123 bc 30.2 b 23.6 abc 1851 ab Abbreviations are the same as given in Table 1. Means within a column followed by different small letters are significantly different at the 0.05 probability level. 缩写同表1。同一列中标以不同小写字母的值在0.05水平上差异显著。

表3 炭/肥互作对大豆产量及其构成因素的影响 Table 3 Interaction effects of biochar and fertilizer on soybean yield and its components

单株粒数, 在2010年的炭/肥配施处理中, 除45%RF+C处理外, 其他处理均显著高于单施化肥处理, 平均提高19.6%, 15%RF+C、30%RF+C处理比常规施肥平均提高5.45%。而在2011年, 所有炭/肥配施处理均高于单施化肥处理, 平均提高26.6%, 其中15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C处理比常规施肥平均提高10.5%。可见, 与单施化肥、常规施肥相比, 炭/肥配施各处理的单株粒数在年际间有明显提高。2年平均值的统计分析表明, 炭/肥配施各处理均高于单施化肥处理, 平均提高23.1%。炭/肥配施处理15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C高于常规施肥, 其中15%RF+C处理显著高于常规施肥, 提高15.2%。
单株粒重, 两年趋势基本相同, 炭/肥配施各处理均高于单施化肥处理, 表现为15%RF+C> 30%RF+ C> 60%RF+C> 45%RF+C> 15%RF> 30%RF> 45%RF> 60%RF> CK。在2010年, 炭/肥配施处理比单施化肥处理平均提高28.5%, 其中15%RF+C、30%RF+C处理比常规施肥提高8.13%。在2011年, 炭/肥配施处理比单施化肥处理平均提高32.5%, 其中15%RF+ C、30%RF+C和60%RF+C处理比常规施肥提高12.8%。与单施化肥、常规施肥相比, 炭/肥配施处理的单株粒重在年际间有较大提高。2年累计平均值的统计分析表明, 炭/肥配施处理比单施化肥处理提高30.4%, 其中15%RF+C、30%RF+C处理比常规施肥处理提高12.0%, 且15%RF+C与RF处理差异显著。
百粒重, 2年表现各有不同。在2010年, 炭/肥配施处理60%RF+C高于60%RF处理, 其他炭/肥配施处理低于相应单施化肥处理, 但无显著差异及明显规律性。在2011年, 炭/肥配施处理则均低于单施化肥处理, 其中30%RF+C与30%RF处理差异显著。2年累计平均值的统计分析表明, 炭/肥配施处理整体低于单施化肥各处理, 但高于常规施肥处理, 处理间相差不大。
小区产量, 2年表现基本一致, 炭/肥配施处理均高于单施化肥处理, 表现为15%RF+C> 30%RF+ C> 60%RF+C> 45%RF+C> 15%RF> 30%RF> 60%RF> 45%RF。其中, 15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C处理高于常规施肥。在2010年, 炭/肥配施处理比单施化处理平均提高12.9%, 其中15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C处理分别比常规施肥提高10.2%、10.2%、8.71%, 平均提高9.7%。而在2011年, 炭/肥配施处理则比单施化处理平均提高13.6%, 其中15%RF+ C、30%RF+C、60%RF+C处理分别比常规施肥提高12.1%、11.8%、7.62%, 平均提高10.5%。与单施化肥、常规施肥相比, 炭/肥配施处理的产量有逐年提高趋势, 年均增幅分别为0.74%、0.81%。由此可见, 炭/肥配施处理的增产效应在年际间具有一定可持续性。2年累计平均值的统计分析表明, 炭/肥配施处理较单施化肥处理提高13.2%, 其中15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C与15%RF、30%RF和60%RF处理差异显著。同时, 15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C处理分别比常规施肥处理提高11.2%、11.0%和8.17%, 平均增产10.1%。
两年研究结果表明, 生物炭与化肥互作对提高大豆单株荚数、单株粒数、单株粒重的作用明显, 与单施化肥相比, 15%RF+C、30%RF+C和60%RF+C处理的作用明显, 而与常规施肥相比, 15%RF+C、30%RF+C处理的作用更明显。生物炭与化肥互作亦对大豆产量表现良好的增产效应, 与单施化肥相比, 炭/肥配施处理的增产效应明显, 其中以30%RF+C处理最好。与常规施肥相比, 炭/肥配施处理15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C表现出较好的增产效果, 其中以15%RF+C、30%RF+C处理最为明显。在大幅降低肥料施用量情况下, 配施生物炭仍表现出良好的增产效应, 对农业生产上减少化肥投入同时实现增产增收, 促进作物生产可持续发展具有重要现实意义。
2.5 生物炭与化肥互作对大豆品质的影响由表4可知, 大豆蛋白质含量表现为60%RF+C> 45%RF+C> 15%RF+C> 30%RF+C> RF> 60%RF> 30%RF > 45%RF> 15%RF> CK, 炭/肥配施处理均高于单施化肥、常规施肥和对照处理, 其中15%RF+C、45%RF+ C与15%RF、45%RF处理差异显著。炭/肥配施处理间, 较低肥量与生物炭配施的促进效应相对明显; 大豆脂肪含量表现为炭/肥配施处理均低于单施化肥处理, 但高于常规施肥和对照, 且差异显著; 大豆蛋白质与脂肪总量表现为60%RF+C> 45%RF+C> 30%RF+C> 15%RF+C> 60%RF> 30%RF> 45%RF> 15%RF > RF> CK, 炭/肥配施处理均高于常规施肥和对照, 随配施肥量减少而增加。较低施肥量条件下配施生物炭, 对提高大豆蛋白质和脂肪总量的作用明显。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 炭/肥互作对大豆品质的影响 Table 4 Interaction effects of biochar and fertilizer on soybean quality 处理 Treatment 蛋白质含量 Protein content (%) 脂肪含量 Oil content (%) 蛋白质与脂肪总量 Total protein and oil content (%) CK 42.43 c 19.97 c 62.4 d RF 42.86 abc 20.03 c 62.9 d 15%RF 42.47 c 21.50 ab 64.0 c 15%RF+C 43.37 ab 21.20 b 64.6 abc 30%RF 42.70 bc 21.43 ab 64.1 abc 30%RF+C 43.33 ab 21.23 ab 64.6 abc 45%RF 42.50 c 21.53 a 64.0 bc 45%RF+C 43.43 ab 21.20 b 64.6 ab 60%RF 42.83 abc 21.47 ab 64.3 abc 60%RF+C 43.47 a 21.27 ab 64.7 a Abbreviations are the same as given in Table 1. Means within a column followed by different small letters are significantly different at the 0.05 probability level. 缩写同表1。同一列中标以不同小写字母的值在0.05水平上差异显著。

表4 炭/肥互作对大豆品质的影响 Table 4 Interaction effects of biochar and fertilizer on soybean quality

总体而言, 生物炭与化肥互作对提升大豆蛋白质和脂肪总量的效应较为明显, 且表现随配施肥量减少而效应增大的趋势。
2.6 生物炭与化肥互作对大豆养分吸收特性的影响2.6.1 对氮吸收的影响 在苗期, 叶片氮含量表现为45%RF+C、60%RF+C高于45%RF、60%RF处理, 而15%RF+C、30%RF+C则低于15%RF、30%RF处理。在开花期, 炭/肥施混处理均高于单施化肥和对照, 随配施肥量减少而提高。其中, 45%RF+C、60%RF+C与45%RF、60%RF差异显著。而到了结荚期, 炭/肥配施处理明显高于单施化肥和对照, 其中15%RF+C、45%RF+C、60%RF+C与15%RF、45%RF、60%RF差异显著。至成熟期, 炭/肥配施处理亦均高于单施化肥和对照, 其中45%RF+C与45%RF差异显著, 且高于常规施肥处理。
总体来看, 与单施化肥相比, 在大豆生长初期, 生物炭与较少量肥料配施对叶片氮吸收有一定增促作用。而随着生育期推进, 生物炭与化肥互作对叶片氮吸收的促进作用逐步增大, 表现随配施肥量减少而提高的趋势。但与常规施肥相比, 生物炭与化肥互作对促进叶片氮吸收的影响不明显(图4)。
图4
Fig. 4

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	图4 炭/肥互作对大豆不同时期叶片氮含量的影响图柱上标不同的字母表示在0.05的水平上差异显著。Fig. 4 Interaction effects of biochar and fertilizer on nitrogen content of soybean leaf at different stagesBars subscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among treatments.

大豆茎秆的氮吸收如图5所示, 在苗期, 茎秆氮吸收与叶片表现相似, 45%RF+C与60%RF+C显著高于45%RF、60%RF处理, 但15%RF+C与30%RF+C则低于15%RF与30%RF处理。在开花期, 茎秆氮含量表现为15%RF+C、60%RF+C高于15%RF、60%RF处理, 而30%RF+C、45%RF+C则比30%RF、45%RF处理有所降低, 但差异不显著。到结荚期, 茎秆氮含量表现为炭/肥配施处理均高于单施化肥和对照。其中, 30%RF+C、45%RF+C、60%RF+C与30%RF、45%RF、60%RF处理差异显著。60%RF+C处理的茎秆氮含量最高, 且与常规施肥差异显著。至成熟期, 除60%RF+C处理外, 其他炭/肥配施处理均高于单施化肥处理, 表现随配施肥量增加而提高趋势。
图5
Fig. 5

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	图5 炭/肥互作对大豆不同时期茎秆氮含量的影响图柱上标不同的字母表示在0.05的水平上差异显著。Fig. 5 Interaction effects of biochar and fertilizer on nitrogen content of soybean stem at different stagesBars subscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among treatments.

总体来看, 生物炭与化肥互作对促进大豆生长前期茎秆氮吸收的影响不明显, 但随着时间延长, 到大豆生育后期, 促进作用逐渐显现。而与常规施肥相比, 生物炭与化肥互作处理的大豆茎秆氮吸收在生长前期略有降低, 但随着生育期推移在后期逐渐升高, 至成熟期则整体高于常规施肥处理, 随配施肥量增加而提高。
在成熟期, 大豆地上部单株氮积累表现为15%RF+C> 30%RF+C> 60%RF+C> RF> 45%RF+C> 15%RF> 30%RF> 45%RF> 60%RF> CK (图6), 炭/肥配施处理均高于单施化肥和对照处理。其中, 15%RF+ C、30%RF+C、60%RF+C与15%RF、30%RF、60%RF处理差异显著, 且分别比常规施肥提高18.80%、14.20%、6.99%, 平均提高13.4%。可见, 生物炭与化肥互作有效促进了大豆地上部植株对氮的吸收、积累, 有利于提高大豆对肥料氮素养分的利用效率, 对促进大豆增产、提高品质具有重要积极作用。
图6
Fig. 6

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	图6 炭/肥互作对大豆单株氮积累的影响图柱上标不同的字母表示在0.05的水平上差异显著。Fig. 6 Interaction effects of biochar and fertilizer on soybean nitrogen accumulation per plantBars subscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among treatments.

2.6.2 对磷吸收的影响 在苗期, 叶片磷含量表现为30%RF+C、60%RF+C处理高于30%RF、60%RF处理, 而15%RF+C、45%RF+C处理则低于15%RF、45%RF处理, 但无显著差异。在开花期, 除45%RF+ C处理外, 其他炭/肥配施处理均高于单施化肥处理, 亦无显著差异。而到了结荚期, 炭/肥配施处理均高于单施化肥处理, 其中15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C与15%RF、30%RF、60%RF处理差异显著。至成熟期, 炭/肥配施处理亦均高于单施化肥处理, 其中15%RF+C与15%RF处理差异显著。
图7
Fig. 7

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	图7 炭/肥互作对大豆不同时期叶片磷含量的影响图柱上标不同的字母表示在0.05的水平上差异显著。Fig. 7 Interaction effects of biochar and fertilizer on phosphorus content of soybean leaf at different stagesBars subscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among treatments.

总体看, 与单施化肥相比, 生物炭与化肥互作对促进大豆苗期叶片的磷吸收没有影响, 但随着生育期推移, 对促进叶片磷吸收的作用逐渐显现, 并呈稳定态势。而与常规施肥相比, 炭/肥配施处理的叶片磷含量则有所降低, 作用不明显。
图8
Fig. 8

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	图8 生物炭与化肥互作对大豆不同时期茎秆磷含量的影响图柱上标不同的字母表示在0.05的水平上差异显著。Fig. 8 Interaction effects of biochar and fertilizer on phosphorus content of soybean stem at different stages

在苗期, 茎秆磷含量表现为炭/肥配施处理均高于单施化肥处理, 但无显著差异。在开花期, 除15%RF+C处理外, 其余炭/肥配施处理均低于单施化肥处理。而在结荚期, 除45%RF+C处理外, 其余炭/肥配施处理均高于单施化肥处理。至成熟期, 45%RF+C、60%RF+C高于45%RF、60%RF处理, 而15%RF+C、30%RF+C处理则低于15%RF、30%RF处理。
总体看, 与单施化肥相比, 炭/肥配施处理的茎秆磷含量在苗期、结荚期有所提高, 而在开花期、成熟期个别处理有所降低。与常规施肥相比, 炭/肥配施处理则有所降低, 对促进茎秆磷吸收没有影响。
在成熟期, 大豆地上部单株磷积累表现为15%RF+C> 30%RF+C> 60%RF+C> RF> 45%RF+C> 15%RF> 30%RF > 45%RF> 60%RF> CK (图9), 炭/肥配施处理均高于单施化肥处理。其中, 15%RF+C、30%RF+C、60%RF+C与15%RF、30%RF、60%RF差异显著, 且高于常规施肥处理。生物炭与化肥互作对提高大豆单株磷素积累有较为明显的促进作用。
图9
Fig. 9

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	图9 炭/肥互作对大豆单株磷积累量的影响图柱上标不同的字母表示在0.05的水平上差异显著。Fig. 9 Interaction effects of biochar and fertilizer on the soybean plant phosphorus accumulationBars subscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among treatments.

3 讨论生物炭具有良好的结构与理化特性, 施入土壤后对土壤结构和理化性质具有积极作用, 目前国内外已有较多研究报道^{[1, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 14]}, 但有关生物炭与化肥互作对作物生长影响的研究较少。本研究表明, 生物炭与化肥互作对大豆株高、地上部植株干物质积累、光合生理特性、养分吸收、产量与品质等具有不同程度的促进作用。
生物炭与化肥互作效应的基础来源于生物炭独特的结构及理化特性。首先, 生物炭具有孔隙结构丰富、质轻、密度小等特性, 使其在施入土壤后可对土壤物理性状产生直接作用。生物炭的微孔丰富, 碳架结构清晰、明显、稳固^[15], 因而可在土壤中起到类似“ 海绵” 的缓冲作用, 使土壤总孔隙度提高, 质地趋于疏松, 通水、透气性增强, 土壤容重降低^[16]。这些良好的直接作用, 将有效改善土壤水、气、热状况, 为作物生长尤其是根系生长提供良好的环境条件^{[17, 18]}, 当生物炭与肥料共存时, 将有效增加根系对水分、养分等的吸收利用, 这对满足大豆生长初期的需要是非常重要的。因此, 生物炭与化肥互作对大豆生长前期的株高有一定提升效应, 且表现配施肥量越大, 相对供给养分越多, 效应越大。但随着大豆生育期推进, 尤其是由营养生长期转至生殖生长期, 作物对光合产物的分配重点由“ 源” 转向“ 库” , 生物炭与较高肥量(15%RF+C、30%RF+C、45%RF+C)互作可能参与并调控了这一过程。根系所吸收的养分及叶片光合产物, 更多被分配、输送用于籽粒形成, 因而在大豆生长后期炭/肥配施处理的株高有降低趋势; 生物炭与化肥互作, 不仅可在一定程度上改善土壤水、气、热条件, 特别对土壤微生态环境构建的重要活动和参与者— — 微生物, 产生积极作用。生物炭的细小孔隙可为微生物生存繁衍提供“ 庇护所” , 从而为它们的生长、活动等提供良好的生存条件^{[19, 20, 21]}, 从而促使微生物数量、群落结构及功能等发生改变, 同时也“ 催化” 了土壤各种理化反应进程。显然, 这些综合效应为促进大豆根系吸收、养分合成与代谢、蛋白质形成等生理进程, 提供了良好的土壤生态环境基础。因而, 生物炭与肥料配施各处理的光合生理功能明显提高, 特别在大豆生育关键期(苗期、开花期), 生物炭与肥料配施处理的净光合速率与蒸腾速率同步提高, 利于加快光合生理进程, 积累更多光合产物, 而在结荚期, 表现较低蒸腾速率与较高光合速率协同, 利于减少光合产物消耗, 增加产物积累。生物炭与化肥互作使大豆光合效率有效提升, 促进了植株光合产物的积累与分配, 因而使大豆叶、茎干物重明显提高, 这在大豆关键生育期都得到了体现。值得一提的是, 这些促进效应不仅在大豆生长前期, 且在全生育期均有不同程度体现, 表现出一定可持续性, 说明生物炭与化肥互作对大豆生长发育具有一定正向、可持续效应。
另外, 生物炭具有较大的比表面积和强吸附力, 在与肥料配施过程中可对肥料起到一定吸附和持留作用。研究表明, 生物炭对氮、磷等养分离子有较强的吸附能力^{[4, 5]}。因而, 生物炭与肥料配施可避免氮、磷等养分流失, 增加对氮、磷等养分离子的持留性能, 提升可利用肥料养分总量和适时供应强度, 从而为不同时期根系及地上部植株生长提供及时、有效的养分供应。但从不同生育期的试验结果来看, 这种效应体现具有一定时间性。在作物生长初期, 生物炭与化肥互作对叶片、茎秆的氮、磷吸收影响不明显, 这可能由于生物炭与肥料配施时间过短, 尚处于“ 松散式结合” 状态, 生物炭对养分离子的吸附过程、量级等受时间限制, 尚未发挥有效作用。而土壤中有机-无机复合胶体、阳离子等, 亦可能与生物炭对肥料养分产生竞争性吸附作用, 因而在一定程度上制约其作用发挥。而从营养生长角度, 在作物生长初期, 氮、磷吸收养分则可能被优先分配用于根系形态建成, 从而影响其他器官的养分吸收。但随着生育期推进, 生物炭与肥料配施的叶片、茎秆的氮、磷吸收逐步增强。这可能与随着时间延长, 生物炭与肥料结合的“ 点、面” 逐渐增多, 吸附、持留“ 量级” 增大, 使其吸附性能得以有效发挥。特别是, 由于土壤生态环境改善使土壤微生物繁衍数量及其活动功能增强, 可能促使生物炭与肥料呈相对“ 紧密结合” 状态, 因而增加了养分固持总量, 从而提高了可利用养分总量, 促进了大豆养分吸收。此外, 生物炭亦可能对土壤各种有机物质产生吸附而发生“ 催化” 反应, 形成新的次生代谢产物如有机酸或腐殖酸类等物质, 从而提高土壤有机质含量和总体肥力, 促进作物养分吸收。但客观地说, 生物炭所能吸附的范围、总量及其持留、释放性能是有一定限度的。在特定时间和土壤环境条件下, 生物炭可能存在“ 吸附饱和阈值” , 若在一定范围内过饱和则可能出现土壤、根系等与其产生竞争性“ 吸附抑制” 作用。而不同处理所吸附的肥料养分量及其持留、释放量, 也可能因土壤生态环境、时间等因素而各异, 因而生物炭与化肥互作的不同处理在各生育期表现不同。在大豆生长初期, 较高肥量与生物炭互作, 除被生物炭可吸附的饱和阈值范围内的肥量外, 仍可提供相对较多养分, 因此其对株高、茎叶干物重、光合作用等的促进效应相对明显。但由于土壤中氮、磷等元素存在相互作用, 根系对氮、磷亦有选择性吸收效应, 以及不同时期大豆植株对氮、磷养分的分配、转运数量和速率等, 使炭/肥互作不同处理的叶、茎养分的吸收浓度不同。但随着生育期推进, 生物炭所吸附养分可能有一定程度释放, 加之作物对养分的消耗, 使其吸附的可利用养分总量逐渐减少, 而同时低肥量所能提供的养分量也相对较小。因此, 在植株养分积累与最终产量形成中, 较高肥量与生物炭配施仍表现出较好的促进效应。
生物炭在炭、肥互作过程中起着主导调控作用, 可改善土壤生态环境, 增加养分持留、减少流失, 增强光合、养分吸收等生理功能, 使土壤整体供肥性能有效提高, 为作物生长提供“ 适时、充足” 的养分来源, 从而促进了作物生长中、后期的养分吸收和生长发育等, 也为最终产量和品质形成奠定了重要基础。
两年试验结果表明, 生物炭与化肥互作具有较好的增产提高品质效应。特别是在常规施肥量明显减少(降低15%、30%和60%)条件下, 生物炭与肥料配施仍优于常规施肥, 增产效果良好, 产投比明显提高。而在品质上, 生物炭与化肥互作也优于单施化肥和常规施肥。生物炭与化肥互作对产量与品质所体现的“ 减量增效” 作用, 可能来源于炭、肥互作优化了土壤容重和水、气、热条件以及微生物等土壤生态环境条件, 特别是提升了土壤总体供肥水平, 为大豆提供了良好的生长条件。因而, 促进了大豆初期生长, 明显提高了大豆关键生育期光合作用能力和叶、茎干物质积累, 增强了大豆生长中、后期的氮、磷养分吸收能力。良好的生长环境, 充足的养分供应, 高光效生产潜力, 协调的“ 源– 库” 物质积累等, 促使大豆增产提高品质, 并体现良好的“ 减量增效” 作用。
产量构成因素中, 生物炭与肥料配施处理的单株荚数、单株粒数、单株粒重以及小区产量在两年试验中逐年提高, 表现出一定可持续效应。这在一定程度上说明, 生物炭与化肥互作或可能存在“ 累积或叠加” 效应, 且可能具有一定可持续性。生物炭具有的多微孔碳架, 高度羧酸酯化和芳香化结构和高C量(60.6%), 使它比其他任何形式的有机碳都更具生物化学和热稳定性, 因而可能在土壤中长期存在而发挥持续作用, 对促进作物低碳、可持续发展具有重要作用。但生物炭与化肥互作的中、长期效应及其“ 量– 效” 关系, “ 生物炭– 土壤– 肥料” 的作用过程、机制等等, 还有待进一步研究考证。
4 结论生物炭与化肥互作可促进大豆生长发育, 提高叶片光合作用强度, 增强植株氮、磷养分吸收; 生物炭与化肥互作具有明显的增产提高品质效应, 优于单施化肥。在常规施肥量减少15%基础上增施生物炭(150 kg hm^-2)的产量最高; 生物炭与化肥互作对减少化肥投入, 实现“ 增产、增收、增效” , 具有重要意义和现实价值; 生物炭与肥料配施可应用于大豆生产, 具有良好的发展空间和应用前景。
The authors have declared that no competing interests exist.


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